Необычная разновидность квантовости может стать ключом к успеху квантовых компьютеров.

Исследователи из Google использовали свой квантовый компьютер Willow, чтобы продемонстрировать, что «квантовая контекстуальность» может быть важнейшим компонентом его вычислительной мощности.

Что же делает квантовые компьютеры мощнее обычных машин? Новый эксперимент показывает, что ключевым фактором может быть свойство «квантовой контекстуальности».

Квантовые компьютеры принципиально отличаются от всех других компьютеров, поскольку они используют уникальные квантовые явления, отсутствующие в традиционной электронике. Например, их базовые элементы, называемые кубитами, обычно приводятся в состояния суперпозиции — они, по-видимому, одновременно принимают два свойства, которые обычно взаимоисключают друг друга, — или же они соединяются посредством неразрывной связи квантовой запутанности.

Теперь исследователи из Google Quantum AI использовали свой квантовый компьютер Willow для проведения ряда демонстраций, показывающих, что свойство квантовой контекстуальности также играет значительную роль.

Квантовая контекстуальность отражает странность измерения свойств квантовых объектов. В то время как цвет ручки, скажем, не зависит от того, измеряете ли вы его до или после измерения длины ручки, для квантового объекта результаты измерений нельзя рассматривать как уже существующие свойства, независимые от всех других измерений.

Эта контекстуальность ранее изучалась в специализированных экспериментах с квантовым светом, а в 2018 году группа исследователей математически доказала, что её можно использовать и в алгоритме квантовых вычислений.

Примечательно, что этот алгоритм позволит квантовому компьютеру находить математическую формулу, скрытую внутри более крупного математического объекта, за фиксированное количество шагов, независимо от размера этого объекта. Другими словами, квантовая контекстуальность позволяет сделать нечто сродни поиску иголки в стоге сена, независимо от размера этого стога.

В эксперименте Google этот алгоритм был реализован на всё большем количестве кубитов, от нескольких до 10⁵, что эквивалентно увеличению стога сена. Поскольку алгоритм Willow обладает большей шумовой активностью, то есть меньшей безошибочностью, чем идеальный теоретический квантовый компьютер, для которого он был написан, количество шагов действительно увеличивалось с увеличением числа кубитов. Однако Willow всё ещё использовал меньше шагов, чем, по оценкам исследователей, потребовалось бы традиционному компьютеру.

Таким образом, квантовая контекстуальность, по-видимому, ведет к квантовому преимуществу — в данном случае квантовый компьютер использует свои квантовые свойства для того, чтобы превзойти производительность классических устройств. Кроме того, команда реализовала несколько других протоколов квантовых вычислений, основанных на квантовой контекстуальности, и обнаружила, что ее эффект сильнее, чем в предыдущих исследованиях.

«Когда я впервые услышал об этом, я сказал, что это не может быть правдой. Это просто невероятно», — говорит Адан Кабельо из Севильского университета в Испании.

«Эти результаты наглядно демонстрируют, как современные квантовые компьютеры раздвигают границы экспериментальной квантовой физики», — говорит Вир Булчандани из Университета Райса в Техасе. Он утверждает, что любой квантовый компьютер, претендующий на полезные квантовые преимущества, должен быть способен выполнять эти задачи, что является показателем его квантовых характеристик.

Однако эта демонстрация пока не является доказательством квантового преимущества, которое можно было бы использовать на практике, поскольку алгоритм 2018 года строго доказал превосходство квантового компьютера над классическими компьютерами только при большем количестве кубитов, чем у Willow, и при использовании кубитов, менее подверженных ошибкам, говорит Дэниел Лидар из Университета Южной Калифорнии. Следующим шагом может стать связь новой работы с алгоритмами квантовой коррекции ошибок, говорит он.

Помимо того, что этот эксперимент устанавливает новый эталон для квантовых компьютеров, он также подчеркивает важность самых фундаментальных аспектов квантовой физики. Кабельо говорит, что исследователям до сих пор не хватает всеобъемлющей теории о том, что именно вызывает квантовое преимущество, но в отличие от запутанности, которую часто приходится создавать, контекстуальность, в некотором смысле, заложена в квантовых объектах. Квантовые компьютеры, такие как Willow, теперь достаточно хороши, чтобы заставить нас серьезно отнестись к странностям квантовой физики, говорит он.

arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2512.02284

Источник: www.newscientist.com